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波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播;
微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。
由于X射线的波长较短,因此它的粒子性往往表现突出,故X射线也可视为一束具有一定能量的光量子流。
每个光量子的能量E和动量P分别为:
二、X射线的本质,h=6.62610-34Js,c=2.998108m/s,其中,,1.3X射线的产生及X射线管,一、X射线的产生条件大量实验证明,高速运动的电子突然受阻时,随着电子能量的消失和转化,会产生X射线。
因此,要获得X射线,必须满足以下条件:
产生自由电子使电子做定向高速运动在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物,二、X射线管的构成及其工作原理,1.构成:
阴极、阳极和窗口,是X射线从阳极靶向外射出的地方,较好的窗口材料是铍。
2.工作原理:
高速运动的电子与物体发生碰撞时,发生能量转换,电子的运动受阻失去动能,其中一小部分(1%左右)能量转变为X射线的能量产生X射线,其中绝大部分能量(约99%左右)转变成热能使物体(靶)温度升高。
较小的焦点和较强的X射线强度,可提高X射线的分辨本领和缩短曝光时间。
接受X射线时,使窗口与靶面成一定角度,一般为36对于长方形焦点的X射线管,窗口开设在与焦点的长边和短边相对应的位置。
1.4X射线谱,X射线谱:
X射线的强度(I)随波长()而变化的曲线。
一、连续X射线谱,连续X射线谱:
在某特定管压下,强度随波长连续变化的X射线谱。
产生机理:
根据量子理论,高速运动的电子被阳极靶突然减速乃至阻止时,其动能的一部分将转化为一个或几个射线光子,其余部分转化为热能,由于大量电子与阳极碰撞的时间和条件不同,因此所产生X射线波长不一,形成连续谱。
短波限:
当一个电子的能量在一次碰撞中全部转化为一个射线光量子时,这个光量子的能量最高而波长最短,这一最短波长称为短波限,用0表示。
管压、管流和靶材序数对连续谱的影响,I,X射线的强度:
垂直于X射线传播方向的单位面积上,在单位时间内通过的光量子数目的能量总和。
X射线的强度是由光子的能量()和光子的数目(n)共同决定的,即:
,因此连续谱中的强度最大值不在光子能量最大的处,而是约在其1.5倍处。
X射线的总强度:
X射线的总强度I与管电流i、管电压U、阳极靶的原子序数Z之间存在经验公式:
二、特征X射线谱,产生机理:
当外来高速粒子的能量足够大时,可将原子壳层(如K层)中的某个电子击到原子外或电子排布未满的外部壳层(如M层)上,在原来位置留下空位,导致原子系统能量升高而处于激发态。
由于激发态的不稳定性,原子外部壳层上的电子将向该空位跃迁并释放出X射线。
而原子各壳层的能量是固定的,因此所释放X射线的波长为一定值。
特征X射线谱:
当一种X射线谱的某些峰所对应波长只取决于阳极靶材的原子序数,而不随管电压和管电流而改变时,则称之为特征X射线谱,也叫标识X射线谱。
激发、辐射及特征谱线,K是由K1和K2两条谱线组成,与原子能级的精细结构有关。
莫塞莱定律:
特征X射线谱的频率只取决阳极靶材料的原子序数,是物质的固有属性。
式中:
K常数(与靶材物质主量子数有关)屏蔽常数(与电子所在壳层位置有关)Z靶材的原子序数,X射线管最佳工作电压,连续谱只会增加衍射花样的背底,不利于衍射花样分析。
U=(35)UK时,I特/I连最大。
小结:
1.5X射线与物质的相互作用,一、X射线的散射,散射的定义:
X射线的光子与物质中的电子相遇时改变了原来的传播方向,造成的在原传播方向上强度减弱的现象。
相干散射,定义:
在X射线的电场作用下,物质原子中受核束缚较紧的电子产生受迫振动,向四周辐射与入射X射线波长相同的散射X射线。
各散射线之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件,可发生干涉现象,故称为相干散射。
特点:
相干散射不损失X射线的能量,只改变其传播方向。
非相干散射,定义:
当X射线的光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时,电子获得部分动能成为反冲电子,所产生散射X射线的能量小于入射X射线且方向改变;
由于散射X射线不符合干涉条件,因此没有干涉现象产生,故把该散射称为非相干散射,又称康普顿吴有训效应。
非相干散射线方向杂乱,强度大幅削弱,在衍射花样中,只增加连续背底,对衍射不利。
波长变化量:
散射角(散射线与入射线的夹角),二、X射线的吸收,定义:
X射线与物质作用时,其能量被转化为其他形式的能量,X射线的强度随之衰减,这种现象称为X射线的吸收。
光电效应,光电效应:
入射X射线的光量子与物质原子中电子相互碰撞时产生的激发和辐射过程。
二次特征X射线:
由入射X射线激发所辐射出的特征X射线称为二次特征X射线或荧光X射线,所产生的特征辐射称为二次特征辐射或荧光辐射。
产生K系荧光辐射的条件:
的物理意义:
将原子核外K层电子击出所需要的入射X射线的最长波长。
称为K系激发限或吸收限。
注意:
是产生二次特征X射线所需入射X射线的临界波长,是与物质一一对应的常数;
而是连续X射线谱的最小波长,是随管电压的增加而减小的变量。
二次特征X射线是由一次特征X射线作用物质后产生的,而连续X射线是由电子束作用物质后产生的。
二次特征X射线的波长与物质一一对应,具有特定值,可用于试样的成分分析,强度越高越好。
但在应用X射线进行晶体衍射分析时,应尽量避免产生二次特征X射线,否则会增加衍射花样的背底,增加分析难度。
光电子不同于反冲电子。
光电子是X射线作用物质后,激发束缚紧的内层电子使之成为自由电子,也即光电子,具有特征能量;
而反冲电子是束缚较松的外层或自由电子吸收了部分X射线的能量所产生。
俄歇效应,俄歇电子:
X射线的光量子与原子中的电子相撞,多余能量不以X射线的形式释放,而是传递给其它外层电子,使之脱离原子核的束缚,成为二次电子,即俄歇电子(AugerElectron)。
俄歇效应:
1个空位被2个空位所代替的无辐射跃迁过程。
俄歇电子的能量大小取决于物质的原子能级结构,是原子序数的单值函数,是一种元素的固有特征。
俄歇电子通常用参与过程的三个能级来命名。
即:
初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、所发射电子原在能级。
例:
K层电子被击出,L2层电子跳入K层空位,多余能量传递L3层电子。
俄歇电子表示为:
KL2L3。
三、X射线的衰减规律,线吸收系数(u):
X射线的传播方向上,单位长度上的X射线强度衰减程度。
质量吸收系数(um):
,单位质量物质对X射线的衰减量。
化合物、陶瓷、合金等物质的是按组分元素的加权平均求得:
Wi吸收体中各元素质量百分数吸收体中各元素的质量吸收系数,四、吸收限的应用,滤波片的选择利用特征X射线进行物相分析时,只用单色K谱线,需利用滤波片将K等谱线滤掉。
选择依据:
要求滤波片的吸收限介于辐射源的K和K之间。
K(靶)K(滤波片)K(靶),滤波片的厚度对滤波质量影响很大,应选择适当的厚度。
滤波片材料根据阳极靶元素而定,一般应满足下列关系:
Z靶40时,Z滤波片=Z靶1Z靶40时,Z滤波片=Z靶2,根据试样的原子序数,可以调整靶材的种类避免在试样上产生荧光辐射。
若试样的K系吸收限为k,应选择靶的K波长稍稍大于K,并尽量靠近K,这样不产生K系荧光,吸收也最小。
根据样品成分,靶材的选择原则是:
Z靶Z试样+1,阳极靶的选择,例:
研究纯Fe,有Ni、Co、Cu、Fe靶可供选用。
已知:
Fe的K=1.7429Fe靶K=1.9373Ni靶K=1.6591Cu靶K=1.5418Co靶K=1.7902,分析结果:
Co靶最理想,可选Fe靶。
不宜选用Ni、Cu靶。
1.6X射线的探测与防护,X射线的探测荧光屏法照相法辐射探测器法,X射线的安全防护,过量的X射线对人体有害,可使局部组织灼伤,使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。
影响程度取决于:
X射线的波长、强度、照射时间、照射部位等。
铅能强烈吸收X射线,可用铅(玻璃、围裙、眼镜)对X射线进行屏蔽。
随身携带黑纸包的照相底片,外插曲别针,定期冲洗底片,无别针阴影则安全。
本章重点掌握的内容:
1、X射线的性质;
2、X射线的本质;
3、产生X射线的条件;
4、X射线管的构成及各部分的作用;
5、X射线谱、连续X射线谱、特征X射线谱及其产生机理;
6、短波限及临界激发电压;
7、相干散射及非相干散射,产生的特征;
8、K系激发限、吸收限、二次特征辐射;
9、吸收限的应用;
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- 射线 性质